Android 繪制原理淺析「干貨」
背景
對于Android開發(fā)，在面試的時(shí)候，經(jīng)常會被問到，說一說View的繪制流程?我也經(jīng)常問面試者，View的繪制流程.
對于3年以上的開發(fā)人員來說，就知道onMeasure/onLayout/onDraw基本，知道他們呢是干些什么的，這樣就夠了嗎?
如果你來我們公司，我是你的面試官，可能我會考察你這三年都干了什么,對于View你都知道些什么，會問一些更細(xì)節(jié)的問題，比如LinearLayout的onMeasure,onLayout過程?他們都是什么時(shí)候被發(fā)起的,執(zhí)行順序是什么?
如果以上問題你都知道,可能你進(jìn)來我們公司就差不多了(如果需要內(nèi)推，可以聯(lián)系我，Android/IOS 崗位都需要)，可能我會考察你draw的 canvas是哪里來的,他是怎么被創(chuàng)建顯示到屏幕上呢?看看你的深度有多少?
對于現(xiàn)在的移動開發(fā)市場逐漸趨向成熟，趨向飽和，很多不缺人的公司，都需要高級程序員.在說大家也都知道，面試要造飛機(jī)大炮，進(jìn)去后擰螺絲,對于一個(gè)3年或者5年以上Android開發(fā)不稍微了解一些Android深一點(diǎn)的東西,不是很好混.扯了這么多沒用的東西，還是回到今天正題，Android的繪圖原理淺析.
本文介紹思路
從面試題中幾個(gè)比較容易問的問題，逐層深入，直至屏幕的繪圖原理.
在講Android的繪圖原理前，先介紹一下Android中View的基本工作原理，本文暫不介紹事件的傳遞流程。
View 繪制工作原理
我們先理解幾個(gè)重要的類，也是在面試中經(jīng)常問到的
Activity,Window(PhoneWindow),DecorView之間的關(guān)系
理解他們?nèi)叩年P(guān)系，我們直接看代碼吧，先從Activity開始的setContentView開始(注:代碼刪除了一些不是本次分析流程的代碼,以免篇幅過長)
- //Activity
- /**
- * Set the activity content from a layout resource. The resource will be
- * inflated, adding all top-level views to the activity.
- *
- * @param layoutResID Resource ID to be inflated.
- *
- * @see #setContentView(android.view.View)
- * @see #setContentView(android.view.View, android.view.ViewGroup.LayoutParams)
- */
- public void setContentView(@LayoutRes int layoutResID) {
- getWindow().setContentView(layoutResID);
- initWindowDecorActionBar();
- }
- public Window getWindow() {
- return mWindow;
- }
里面調(diào)用的getWindow的setContentView,這個(gè)接下來講,那么這個(gè)mWindow是何時(shí)被創(chuàng)建的呢?
- //Activity
- private Window mWindow;
- final void attach(Context context, ActivityThread aThread,····） {
- attachBaseContext(context);
- mFragments.attachHost(null /*parent*/);
- mWindow = new PhoneWindow(this, window, activityConfigCallback);
- }
在Activity的attach中創(chuàng)建了PhoneWindow,PhoneWindow是Window的實(shí)現(xiàn)類.
繼續(xù)剛才的setContentView
- //PhoneWindow
- @Override
- public void setContentView(int layoutResID) {
- if (mContentParent == null) {
- installDecor();
- } else if (!hasFeature(FEATURE_CONTENT_TRANSITIONS)) {
- mContentParent.removeAllViews();
- }
- if (hasFeature(FEATURE_CONTENT_TRANSITIONS)) {
- final Scene newScene = Scene.getSceneForLayout(mContentParent, layoutResID,
- getContext());
- transitionTo(newScene);
- } else {
- mLayoutInflater.inflate(layoutResID, mContentParent);
- }
- }
在setContentView中，如果mContentParent為空，會去調(diào)用installDecor,最后將布局infalte到mContentParent.在來看一下installDecor
- //PhoneWindow
- // This is the view in which the window contents are placed. It is either
- // mDecor itself, or a child of mDecor where the contents go.
- ViewGroup mContentParent;
- private DecorView mDecor;
- private void installDecor() {
- mForceDecorInstall = false;
- if (mDecor == null) {
- mDecor = generateDecor(-1);
- } else {
- mDecor.setWindow(this);
- }
- if (mContentParent == null) {
- mContentParent = generateLayout(mDecor);
- }
- }
- protected DecorView generateDecor(int featureId) {
- return new DecorView(context, featureId, this, getAttributes());
- }
在installDecor，創(chuàng)建了一個(gè)DecorView.看mContentParent的注釋我們可以知道,他本身就是mDecor或者是mDecor的contents部分.
綜上，我們大概知道了三者的關(guān)系，
- Activity包含了一個(gè)PhoneWindow，
- PhoneWindow就是繼承于Window
- Activity通過setContentView將View設(shè)置到了PhoneWindow上
- PhoneWindow里面包含了DecorView，最終布局被添加到Decorview上.
理解ViewRootImpl,WindowManager,WindowManagerService(WMS)之間的關(guān)系
看了上述三者的關(guān)系后，我們知道布局最終被添加到了DecorView上.那么DecorView是怎么被添加到系統(tǒng)的Framework層.
當(dāng)Activity準(zhǔn)備好后，最終會調(diào)用到Activity中的makeVisible，并通過WindowManager添加View,代碼如下
- //Activity
- void makeVisible() {
- if (!mWindowAdded) {
- ViewManager wm = getWindowManager();
- wm.addView(mDecor, getWindow().getAttributes());
- mWindowAdded = true;
- }
- mDecor.setVisibility(View.VISIBLE);
- }
那他們到底是什么關(guān)系呢? (下面提到到客戶端服務(wù)端是Binder通訊中的客戶端服務(wù)端概念. )
以下內(nèi)容是重點(diǎn)需要理解的部分
- ViewRootImpl(客戶端):View中持有與WMS鏈接的mAttachInfo，mAttachInfo持有ViewRootImpl.ViewRootImpl是ViewRoot的的實(shí)現(xiàn),WMS管理窗口時(shí)，需要通知客戶端進(jìn)行某種操作，比如事件響應(yīng)等.ViewRootImpl有個(gè)內(nèi)部類W,W繼承IWindow.Stub，實(shí)則就是一個(gè)Binder，他用于和WMS IPC交互。ViewRootHandler也是其內(nèi)部類繼承Handler，用于與遠(yuǎn)程IPC回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行異步調(diào)用.
- WindowManger(客戶端):客戶端需要創(chuàng)建一個(gè)窗口，而具體創(chuàng)建窗口的任務(wù)是由WMS完成,WindowManger就像一個(gè)部門經(jīng)理，誰有什么需求就告訴它，它和WMS交互，客戶端不能直接和WMS交互.
- WindowManagerService(WMS)(服務(wù)端):負(fù)責(zé)窗口的創(chuàng)建,顯示等.
View的重繪
從上述關(guān)系中，ViewRootImpl是用于接收WMS傳遞來的消息.那么我們來看一下ViewRootImpl里面的幾個(gè)關(guān)于View繪制的代碼.
在這里在強(qiáng)調(diào)一下,ViewRootImpl 兩個(gè)重要的內(nèi)部類
- W類 繼承Binder 用于接收WMS 傳遞來的消息
- ViewRootHandler類繼承Handler 接收W類的異步消息
下面看一下ViewRootHandler類.(以View的setVisible為例.)
- // ViewRootHandler(ViewRootImpl的內(nèi)部類，用于異步消息處理，和Acitivity的啟動很像)
- //第一步 Handler接收W（Binder）傳遞來的消息
- @Override
- public void handleMessage(Message msg) {
- switch (msg.what) {
- case MSG_INVALIDATE:
- ((View) msg.obj).invalidate();
- break;
- case MSG_INVALIDATE_RECT:
- final View.AttachInfo.InvalidateInfo info = (View.AttachInfo.InvalidateInfo) msg.obj;
- info.target.invalidate(info.left, info.top, info.right, info.bottom);
- info.recycle();
- break;
- case MSG_DISPATCH_APP_VISIBILITY://處理Visible
- handleAppVisibility(msg.arg1 != 0);
- break;
- }
- }
- void handleAppVisibility(boolean visible) {
- if (mAppVisible != visible) {
- mAppVisible = visible;
- scheduleTraversals();
- if (!mAppVisible) {
- WindowManagerGlobal.trimForeground();
- }
- }
- }
- void scheduleTraversals() {
- if (!mTraversalScheduled) {
- mTraversalScheduled = true;
- mTraversalBarrier = mHandler.getLooper().getQueue().postSyncBarrier();
- //開啟下次刷新，就遍歷View樹
- mChoreographer.postCallback(
- Choreographer.CALLBACK_TRAVERSAL, mTraversalRunnable, null);
- if (!mUnbufferedInputDispatch) {
- scheduleConsumeBatchedInput();
- }
- notifyRendererOfFramePending();
- pokeDrawLockIfNeeded();
- }
- }
看一下mTraversalRunnable
- final class TraversalRunnable implements Runnable {
- @Override
- public void run() {
- doTraversal();
- }
- }
- final TraversalRunnable mTraversalRunnable = new TraversalRunnable();
- void doTraversal() {
- if (mTraversalScheduled) {
- mTraversalScheduled = false;
- mHandler.getLooper().getQueue().removeSyncBarrier(mTraversalBarrier);
- performTraversals();
- }
- }
在TraversalRunnable中，執(zhí)行doTraversal.并在doTraversal執(zhí)行performTraversals(),是不是看到了我們熟悉的performTraversals()了?是的，在這里才開始View的繪制工作.
在ViewRootImpl中的performTraversals()，這個(gè)方法代碼很長(大約800行代碼)，大致流程是
- 判斷是否需要重新計(jì)算視圖大小,如果需要就執(zhí)行performMeasure()
- 是否需要重新安置所在的位置,performLayout()
- 是否需要重新繪制performDraw()
那么是什么導(dǎo)致View的重繪呢?這里總結(jié)了3個(gè)主要原因
- 視圖本身內(nèi)部狀態(tài)(enable，pressed等)變化,可能引起重繪
- View內(nèi)部添加或者刪除了View
- View本身的大小和可見性發(fā)生了變化
View的繪制流程
在上一小節(jié)了,講述了performTraversals()的是被WMS IPC調(diào)用執(zhí)行的.View的繪制流程一般是
從performTraversals -> performMeasure() -> performLayout() -> performDraw().
下面看一下performMeasure()
- //ViewRootImpl
- private void performMeasure(int childWidthMeasureSpec, int childHeightMeasureSpec) {
- if (mView == null) {
- return;
- }
- Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_VIEW, "measure");
- try {
- mView.measure(childWidthMeasureSpec, childHeightMeasureSpec);
- } finally {
- Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
- }
- }
- public final void measure(int widthMeasureSpec, int heightMeasureSpec) {
- MeasureSpec.getMode(widthMeasureSpec) == MeasureSpec.EXACTLY
- && MeasureSpec.getMode(heightMeasureSpec) == MeasureSpec.EXACTLY;
- final boolean matchesSpecSize = getMeasuredWidth() == MeasureSpec.getSize(widthMeasureSpec)
- && getMeasuredHeight() == MeasureSpec.getSize(heightMeasureSpec);
- final boolean needsLayout = specChanged
- && (sAlwaysRemeasureExactly || !isSpecExactly || !matchesSpecSize);
- if (forceLayout || needsLayout) {
- mPrivateFlags &= ~PFLAG_MEASURED_DIMENSION_SET;
- resolveRtlPropertiesIfNeeded();
- int cacheIndex = forceLayout ? -1 : mMeasureCache.indexOfKey(key);
- if (cacheIndex < 0 || sIgnoreMeasureCache) {
- //在這里調(diào)用了onMeasure 方法
- onMeasure(widthMeasureSpec, heightMeasureSpec);
- mPrivateFlags3 &= ~PFLAG3_MEASURE_NEEDED_BEFORE_LAYOUT;
- }
- }
- }
最終調(diào)用了View的measure方法，而View中的measure()方法被定義成final類型,保證整個(gè)流程的執(zhí)行.performLayout()和performDraw()也是類似的過程.
而對于程序員，自定義View只需要關(guān)注他提供出來幾個(gè)對應(yīng)的方法,onMeasure/onLayout/onDraw. 關(guān)于這方面知識的網(wǎng)上介紹的資料很多，也可以很容易的看到View及ViewGroup里面的代碼,推薦看LinerLayout的源碼理解這部分知識，在這里不詳細(xì)展開.
Android的繪圖原理淺析
Android屏幕繪制
關(guān)于繪制，就要從performDraw()說起，我們來看一下這個(gè)流程到底是怎么繪制的.
- //ViewRootImpl
- //1
- private void performDraw() {
- try {
- draw(fullRedrawNeeded);
- } finally {
- mIsDrawing = false;
- Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_VIEW);
- }
- }
- //2
- private void draw(boolean fullRedrawNeeded) {
- Surface surface = mSurface;
- if (!surface.isValid()) {
- return;
- }
- if (!drawSoftware(surface, mAttachInfo, xOffset, yOffset, scalingRequired, dirty)) {
- return;
- }
- }
- //3
- private boolean drawSoftware(Surface surface, AttachInfo attachInfo, int xoff, int yoff,
- boolean scalingRequired, Rect dirty) {
- Canvas canvas = mSurface.lockCanvas(dirty);
- }
看代碼執(zhí)行流程，1—>2->3, 最終拿到了Java層的canvas,然后進(jìn)行一系列繪制操作.而canvas是通過Suface.lockCanvas()得到的.
那么Surface又是一個(gè)什么呢?在這里Surface只是一個(gè)抽象,在APP創(chuàng)建窗口時(shí)，會調(diào)用WindowManager向WMS服務(wù)發(fā)起一個(gè)請求，攜帶上surface對象,只有他被分配完一段屏幕緩沖區(qū)才能真正對應(yīng)屏幕上的一個(gè)窗口.
來看一下Framework中的繪圖架構(gòu).更好的理解Surface
Surface本質(zhì)上僅僅代表了一個(gè)平面，繪制不同圖案顯然是一種操作，而不是一段數(shù)據(jù)，Android使用了Skia繪圖驅(qū)動庫來進(jìn)行平面上的繪制，在程序中使用canvas來表示這個(gè)功能.
雙緩沖技術(shù)的介紹
在ViewRootImpl中,我們看到接收到繪制消息后，不是立刻繪制而是調(diào)用scheduleTraversals,在scheduleTraversals調(diào)用Choreographer.postCallback()，這又是因?yàn)槭裁茨?這其實(shí)涉及到屏幕繪制原理(除了Android其他平臺也是類似的).
我們都知道顯示器以固定的頻率刷新，比如 iPhone的 60Hz、iPad Pro的 120Hz。當(dāng)一幀圖像繪制完畢后準(zhǔn)備繪制下一幀時(shí)，顯示器會發(fā)出一個(gè)垂直同步信號(VSync)，所以 60Hz的屏幕就會一秒內(nèi)發(fā)出 60次這樣的信號。
并且一般地來說，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU、GPU和顯示器以一種特定的方式協(xié)作：CPU將計(jì)算好的顯示內(nèi)容提交給 GPU，GPU渲染后放入幀緩沖區(qū)，然后視頻控制器按照 VSync信號從幀緩沖區(qū)取幀數(shù)據(jù)傳遞給顯示器顯示.
但是如果屏幕的緩沖區(qū)只有一塊，那么這個(gè)VSync同步信號發(fā)出時(shí)， 開始刷新屏幕，那么你看到的屏幕就是一條一條的數(shù)據(jù)在變化.為了讓屏幕看上去是一幀一幀的數(shù)據(jù)，一般都有兩塊緩沖區(qū)(也被成為雙緩沖區(qū)).當(dāng)數(shù)據(jù)要刷新時(shí)，直接替換另一個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù).
雙緩沖技術(shù)里面，如果不能特定時(shí)間刷新完的話(如果60HZ的話，就是16ms內(nèi))把這個(gè)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)刷新完成,屏幕發(fā)出VSync同步信號,無法完成兩個(gè)緩沖區(qū)的切換，那么就會造成卡頓現(xiàn)象。
回到scheduleTraversals()上，這個(gè)地方就是使用了雙緩沖技術(shù)(或者三緩沖技術(shù)),Choreographer接收VSync的同步信號，當(dāng)屏幕刷新來時(shí)，開始屏幕的刷新操作。
